Wykład
6

3. Kwasy nukleinowe - budowa i
funkcje
3.1. Zasady nukleinowe,
nukleozydy, nukleotydy
3.2. Budowa i funkcje DNA i RNA

http://www.republika.pl/biochemia2004/kwasy-nukleinowe.htm
http://zguw.ibb.waw.pl/~knbm/bmwi/podrek/dna_bia/dna_bia1.html
http://pl.wikipedia.org/wiki/Kwas_nukleinowy
http://www.sciaga.pl/tekst/25653-26-kwasy_nukleinowe_budowa_i_znaczenie
http://www.mlyniec.gda.pl/~chemia/organiczna/biochemia.htm
http://www.chem.uw.edu.pl/people/SFilipek/monograf/4/monog4.htm
http://chemia.organiczna.webpark.pl/nukleo/nukleo.htm

Informacja o budowie białek oraz

instrukcja o ich syntezie (jakie

białko, kiedy, gdzie) jest

przechowywana i uruchomiana w

cząsteczkach dużych związków, nie

przypominających budową białek.

Związki te nazywają się kwasami

nukleinowymi (nukleus – jądro),

występującymi głównie w jądrach

komórek. Związki te również są

długimi polimerami składającymi

się z zaledwie 4 monomerów

(jednostek).

Informacja o budowie białek (i całego

organizmu) jest przechowywana w

cząsteczce kwasu

deoksyrybonukleinowego

(

DNA

), który

jest instrukcją (zapisem) o całym

organizmie.

Instukcja syntezy białek jest zapisana

w cząsteczkach kwasu

rybonukleinowego

(

RNA

).

Gdy w organizmie potrzebne jest dane

białko (do wzrostu organizmu) to

wtedy jest syntezowany RNA na

podstawie instrukcji zapisanej w DNA.

Proces ten nazywa się

transkrypcją

Nośnikiem informacji genetycznej są
zasady nukleinowe zawarte w
cząsteczkach DNA (kwasu
dezoksyrybonukleinowego,

D

eoxyribo

N

ucleic

A

cid). Reszty 2’-

deoksyrybozy i reszty fosforanowe
pełnią rolę strukturalną. DNA składa
się z dwóch helikalnych nici
polimeru, nawiniętych na siebie.
Rzuty przestrzenne tych polimerów
są przedstawione na następnych
przezroczach.

N

N

N

N

NH

2

N

N

N

N

O

NH

2

H

N

N

O

O

C

H

3

H

N

N

O

NH

2

ZASADY PURYNOWE

ZASADY PIRYMIDYNOWE

ADENINA A

GUANINA G

TYMINA T

CYTOZYNA C

N

N

N

N

NH

2

O

OH

OH

H

H

H

H

HO

NH

N

N

O

NH

2

N

O

OH

OH

H

H

H

H

HO

O

OH

OH

H

H

H

H

HO

N

N

NH

2

O

O

OH

OH

H

H

H

H

HO

HN

N

O

O

ADENOZYNA Ado

GUANOZYNA Guo

CYTYDYNA Cyd

URYDYNA Urd

NUKLEOZYDY –

NUKLEOZYDY –

połączenia zasad

połączenia zasad

z cukrem:

z cukrem:

Tutaj –

Tutaj –

nukleozydy

nukleozydy

występujące w

występujące w

RNA; cukrem jest

RNA; cukrem jest

ryboza.

ryboza.

W DNA jej

W DNA jej

miejsce zajmuje

miejsce zajmuje

deoksyryboza, a

deoksyryboza, a

zamiast urydyny

zamiast urydyny

występuje

występuje

tymidyna

tymidyna

N

N

N

N

NH

2

O

OH

OH

H

H

H

H

O

P

-O

O-

O

ADENOZYNOMONOFOSFORAN (AMP)

N

N

N

N

NH

2

O

OH

OH

H

H

H

H

O

P

O

O-

O

ADENOZYNODIFOSFORAN (ADP)

P

O

O

O

-

-

N

N

N

N

NH

2

O

OH

OH

H

H

H

H

O

P

O

O-

O

ADENOZYNOTRIFOSFORAN (ATP)

P

O

O

O

P

O

O

O

-

-

-

N

N

N

N

NH

2

O

H

OH

H

H

H

H

O

P

-O

O-

O

2'deoksyADENOZYNOMONOFOSFORAN

(AMP)

NUKLEOTYDY i DEOKSYNUKLEOTYDY

(na przykładzie nukleotydów adeninowych)

O

OH

H

H

H

H

N

N

NH

2

O

O

P

O

O

O

O-

N

N

N

N

NH

2

O

OH

O

H

H

H

H

P

O

O

O-

O

OH

H

H

H

H

HN

N

O

O

O

P

O

O

O-

O

P

O

O

O-

O

Fragment łańcucha

Fragment łańcucha

cząsteczki RNA –

cząsteczki RNA –

pojedyncza nić.

pojedyncza nić.

Łańcuch główny

Łańcuch główny

stanowią: grupa

stanowią: grupa

fosforanowa i dwa

fosforanowa i dwa

atomy węgla rybozy.

atomy węgla rybozy.

Zasady nukleinowe:

Zasady nukleinowe:

adenina, guanina,

adenina, guanina,

cytozyna i uracyl.

cytozyna i uracyl.

O

H

H

H

H

H

O

P

O

O

O

O-

N

N

N

N

NH

2

O

H

O

H

H

H

H

P

O

O

O-

O

H

H

H

H

H

HN

N

O

O

O

P

O

O

O-

O

P

O

O

O-

O

A

NH

N

N

N

O

NH

2

G

C

Fragment łańcucha

Fragment łańcucha

cząsteczki DNA –

cząsteczki DNA –

pojedyncza nić – jedna z

pojedyncza nić – jedna z

dwóch nici

dwóch nici

(przeciwbieżnych),

(przeciwbieżnych),

nawiniętych na siebie.

nawiniętych na siebie.

Łańcuch główny

Łańcuch główny

stanowią: grupa

stanowią: grupa

fosforanowa i dwa atomy

fosforanowa i dwa atomy

węgla deoksyrybozy.

węgla deoksyrybozy.

Zasady nukleinowe:

Zasady nukleinowe:

adenina, guanina,

adenina, guanina,

cytozyna i tymina.

cytozyna i tymina.

Dwie nici DNA są połączone wiązaniami wodorowymi

Dwie nici DNA są połączone wiązaniami wodorowymi

pomiędzy zasadami tych dwóch przeciwbieżnych

pomiędzy zasadami tych dwóch przeciwbieżnych

nici. Dobre

nici. Dobre

dopasowanie strukturalne zachodzi pomiędzy adeniną i

dopasowanie strukturalne zachodzi pomiędzy adeniną i

tyminą oraz

tyminą oraz

pomiędzy guaniną i cytozyną. Na rysunku poniżej

pomiędzy guaniną i cytozyną. Na rysunku poniżej

zaznaczone są wiązania wodorowe pomiędzy tymi

zaznaczone są wiązania wodorowe pomiędzy tymi

zasadami. Łańcuszkiem zaznaczono łańcuchy główne dwóch

zasadami. Łańcuszkiem zaznaczono łańcuchy główne dwóch

nici.

nici.

N

N

N

N

NH

2

HN

N

O

O

NH

N

N

N

O

NH

2

N

N

H

2

N

O

G C

A T

Para

Para

Dwie nici DNA mają określoną kolejność

Dwie nici DNA mają określoną kolejność

(sekwencję) zasad.

(sekwencję) zasad.

Sekwencje te są w dwóch niciach

Sekwencje te są w dwóch niciach

KOMPLEMENTARNE, tzn. tam, gdzie w

KOMPLEMENTARNE, tzn. tam, gdzie w

jednej nici jest A, tam w drugiej jest T, a

jednej nici jest A, tam w drugiej jest T, a

tam, gdzie w jednej nici jest G, to w

tam, gdzie w jednej nici jest G, to w

drugiej jest C i na odwrót.

drugiej jest C i na odwrót.

Przykład sekwencji dwóch nici DNA:

Przykład sekwencji dwóch nici DNA:

ATGGCCATCGTAAATTGCGGATTACGGC

TACCGGTAGCATTTAACGCCTAATGCCG

Przekazanie informacji o strukturze białka od instrukcji

Przekazanie informacji o strukturze białka od instrukcji

(DNA) do syntezowanego białka jest procesem

(DNA) do syntezowanego białka jest procesem

dwuetapowym.

dwuetapowym.

W pierwszym etapie na DNA jest syntezowany RNA.

W pierwszym etapie na DNA jest syntezowany RNA.

Proces ten nazywa się

Proces ten nazywa się

transkrypcją

transkrypcją

. Ten RNA nazywa się

. Ten RNA nazywa się

messengerRNA

messengerRNA

( w skrócie mRNA) – w polskim języku

( w skrócie mRNA) – w polskim języku

przyjęto termin informacyjny RNA (ale skrót jest ten sam

przyjęto termin informacyjny RNA (ale skrót jest ten sam

– mRNA).

– mRNA).

Następnie na tej makrocząsteczce, której struktura jest

Następnie na tej makrocząsteczce, której struktura jest

odwzorowaniem sekwencji w DNA, na którym została

odwzorowaniem sekwencji w DNA, na którym została

zsyntezowana, odbywa się synteza białka, której

zsyntezowana, odbywa się synteza białka, której

struktura jest zakodowana w tym mRNA.

struktura jest zakodowana w tym mRNA.

Ten proces nosi nazwę

Ten proces nosi nazwę

translacji

translacji

.

.

PRZEPŁYW INFORMACJI

PRZEPŁYW INFORMACJI

GENETYCZNEJ

GENETYCZNEJ

DNA

transkrypcja

RNA

translacja

białko

Wykład
7

3. Kwasy nukleinowe - budowa i
funkcje
3.3. Kod genetyczny

http://www.republika.pl/biochemia2004/kwasy-nukleinowe.htm

http://zguw.ibb.waw.pl/~knbm/bmwi/podrek/dna_bia/dna_bia1.html
http://pl.wikipedia.org/wiki/Kwas_nukleinowy
http://www.sciaga.pl/tekst/25653-26-kwasy_nukleinowe_budowa_i_znaczenie
http://www.mlyniec.gda.pl/~chemia/organiczna/biochemia.htm
http://www.chem.uw.edu.pl/people/SFilipek/monograf/4/monog4.htm
http://chemia.organiczna.webpark.pl/nukleo/nukleo.htm

Dwie nici DNA mają określoną kolejność

Dwie nici DNA mają określoną kolejność

(sekwencję) zasad.

(sekwencję) zasad.

Sekwencje te są w dwóch niciach

Sekwencje te są w dwóch niciach

KOMPLEMENTARNE, tzn. tam, gdzie w jednej nici

KOMPLEMENTARNE, tzn. tam, gdzie w jednej nici

jest A, tam w drugiej jest T, a tam, gdzie w jednej

jest A, tam w drugiej jest T, a tam, gdzie w jednej

nici jest G, to w drugiej jest C i na odwrót.

nici jest G, to w drugiej jest C i na odwrót.

Przykład sekwencji dwóch nici DNA:

Przykład sekwencji dwóch nici DNA:

ATGGCCATCGTAAATTGCGGATTACGGC

TACCGGTAGCATTTAACGCCTAATGCCG

Ten kod jest kodem trójkowym, tzn w trzech
kolejnych znaczkach zapisana jest informacja o
tym, jaki aminokwas białka ma być w danym
miejscu sekwencji polipeptydu. Ta trójka nazywa
się kodonem. Każdy aminokwas ma swój kodon.

T

C

C

G

A

A

G

T

C

C

A

G

G

C

T

T

C

A

G

G

Fragment DNA

Transkrypcja

Fragment mRNA

po replikacji nici+ DNA

(+)

(-)

U

C

C

G

A

A

G

U

C

C

Translacja

Fragment polipeptydu zbudowanego

na podstawie instrukcji przechowywanej

w DNA, skopiowanej jako mRNA i odczytanej

przez zespoly enzymow

kodon UCC

kodon GAA

kodon GUC

Ser

Glu

Val

3.4.
Replikacja

Gdy z jednej komórki powstaje następna

Gdy z jednej komórki powstaje następna

– przez podział, wówczas w jądrze nowej

– przez podział, wówczas w jądrze nowej

komórki jest DNA z komórki

komórki jest DNA z komórki

macierzystej.

macierzystej.

Jest on taki sam, jak w komórce

Jest on taki sam, jak w komórce

macierzystej, bo powstaje przez

macierzystej, bo powstaje przez

rozszczepienie DNA na dwie nici i

rozszczepienie DNA na dwie nici i

„dobudowanie” drugiej,

„dobudowanie” drugiej,

komplementarnej nici.

komplementarnej nici.

Proces ten nazywa się replikacją.

Proces ten nazywa się replikacją.

Chemicznie jest dość skomplikowany, ale

Chemicznie jest dość skomplikowany, ale

efektem jest powstanie wiernej kopii.

efektem jest powstanie wiernej kopii.

http://www.johnkyrk.com/DNAreplication.html

http://mpancz.webpark.pl/biomolreplikacja.php

http://library.thinkquest.org/C005044/polski/m2-3.html

Do powstania kopii DNA potrzebne są:

• Nukleotydy, ściślej 2’-deoksynukleotydy:

dATP, dTTP, dGTP, dCTP,

• Enzym Polimeraza DNA (białko

katalityczne)

• Jony Mg(II) i Ca(II)
• Oryginalna cząsteczka DNA, która działa

w tym procesie jak matryca, na której

syntezowane są dwie następne nici DNA.

3.5.
Transkrypcja

Cząsteczka DNA jest bardzo długa –

Cząsteczka DNA jest bardzo długa –

zawiera pełną informację o strukturze

zawiera pełną informację o strukturze

białek. Kawałek DNA, przechowujący

białek. Kawałek DNA, przechowujący

informację o strukturze białka nazywa

informację o strukturze białka nazywa

się genem. Ten gen może ulec

się genem. Ten gen może ulec

„przeczytaniu” a jego sekwencja jest

„przeczytaniu” a jego sekwencja jest

„przetworzona” w nową

„przetworzona” w nową

makrocząsteczkę – informacyjny RNA –

makrocząsteczkę – informacyjny RNA –

mRNA. Ten proces nazywa się

mRNA. Ten proces nazywa się

transkrypcją.

transkrypcją.

http://www.wiw.pl/Biologia/genetyka/JezykGenow/Esej.asp?base=r&cp=1&ce=12

http://zguw.ibb.waw.pl/~knbm/bmwi/podrek/gen_eu/gen_eu4.html

Do powstania mRNA potrzebne są:

• Nukleotydy:

ATP, UTP, GTP, CTP,

• Enzym Polimeraza RNA (białko

katalityczne)

• Jony Mg(II) i Ca(II)
• Oryginalna cząsteczka DNA, która

działa w tym procesie jak matryca,

na której syntezowane jest mRNA.

T

C

C

G

A

A

G

T

C

C

A

G

G

C

T

T

C

A

G

G

Fragment DNA

Transkrypcja

Fragment mRNA

po replikacji nici+ DNA

(+)

(-)

U

C

C

G

A

A

G

U

C

C

Translacja

Fragment polipeptydu zbudowanego

na podstawie instrukcji przechowywanej

w DNA, skopiowanej jako mRNA i odczytanej

przez zespoly enzymow

kodon UCC

kodon GAA

kodon GUC

Ser

Glu

Val

3.6. Translacja

Cząsteczka mRNA jest polinukleotydem –

Cząsteczka mRNA jest polinukleotydem –

kwasem nukleinowym. Ten kwas

kwasem nukleinowym. Ten kwas

nukleinowy jest na tyle długi, że zawiera

nukleinowy jest na tyle długi, że zawiera

pełną informację o strukturze

pełną informację o strukturze

pojedynczego białka. Jest to matryca

pojedynczego białka. Jest to matryca

(informacja), na której sekwencja

(informacja), na której sekwencja

polinukleotydowa jest „przetworzona” w

polinukleotydowa jest „przetworzona” w

nową makrocząsteczkę – białko. Ten

nową makrocząsteczkę – białko. Ten

proces nazywa się translacją.

proces nazywa się translacją.

http://www.wiw.pl/biologia/genetyka/JezykGenow/Esej.asp?base=r&cp=1&ce=14

http://www.wiw.pl/biologia/Genetyka/Slownik/Haslo.asp?haslo_id=124

http://www.ids.edu.pl/wwwbio/genetyka/mm_32.html

W procesie translacji syntezowany
jest łańcuch białka.
Bierze w nim udział:

• informacyjny RNA (mRNA) –
stanowi on matrycę, na
której syntezowany jest łańcuch

• aminokwasy (wszystkie 20)
przywiązane każdy do swojego
nośnika, którym jest cząsteczka
tRNA – transportującego RNA

• zespół enzymów, katalizujących
reakcję tworzenia wiązania
peptydowego

aminokwas

trzy zasady

stanowi antykodon -

komplementarny do kodonu

tRNA

Transferowe (transportujące) RNA to są małe

Transferowe (transportujące) RNA to są małe

polinukleotydy składające się z pojedynczej nici, tworzącej

polinukleotydy składające się z pojedynczej nici, tworzącej

kształt trójlistnej koniczynki. W głównej pętli znajdują się

kształt trójlistnej koniczynki. W głównej pętli znajdują się

trzy zasady stanowiące

trzy zasady stanowiące

antykodon

antykodon

, których sekwencja jest

, których sekwencja jest

komplementarna do trójki zasad w kodonie. Ten kodon

komplementarna do trójki zasad w kodonie. Ten kodon

koduje rodzaj aminokwasu, który ma być przyczepiony do

koduje rodzaj aminokwasu, który ma być przyczepiony do

rosnącego łańcucha polipeptydu. Do tRNA z tym

rosnącego łańcucha polipeptydu. Do tRNA z tym

antykodonem związany jest aminokwas, który ma być

antykodonem związany jest aminokwas, który ma być

wbudowany.

wbudowany.

Każdy aminokwas ma swój

Każdy aminokwas ma swój

t

t

RNA. Tak więc istnieje 20

RNA. Tak więc istnieje 20

różnych cząsteczek tRNA – tyle, ile jest aminokwasów

różnych cząsteczek tRNA – tyle, ile jest aminokwasów

Proces, w którym sekwencja kodonów mRNA jest
tłumaczona na sekwencję aminokwasów w łańcuchu
polipeptydowym, jest skomplikowany i składa się z bardzo
wielu powtarzających się kroków. Przeprowadzają go
struktury cytoplazmatyczne widoczne pod mikroskopem
elektronowym jako drobne obiekty. Są to rybosomy, a
każdy z nich składa się z ponad pięćdziesięciu różnych
białek i trzech lub czterech różnych rodzajów cząsteczek
rRNA. Rybosomy wraz z tRNA tworzą maszynerię, która
zamienia sekwencje nukleotydów mRNA na sekwencje
aminokwasowe białek. Potrzeba do tego także
różnorodnych enzymów i innych białek.
       Zauważmy, że w mRNA mogą wystąpić trzy różne
serie trójek nukleotydowych, tak zwane ramki odczytu, w
zależności od tego, który triplet zostanie wybrany jako
pierwszy kodon. W tym przykładzie, tak jak w większości
przypadków, dwie ramki (oznaczone jako B i C) są
przerwane kodonami stop i nie mogą ulegać translacji.
Tylko ramka A jest „otwarta” od początku do końca.

 

 

 W jaki sposób wybierana jest właściwa

ramka? Najpierw rybosom i specjalny
tRNA niosący cząsteczkę metioniny,
którego antykodon może
komplementarnie łączyć się z AUG,
przyłącza się do mRNA w początkowej
pozycji AUG. Są dwa tRNA, które mogą
łączyć się z AUG: jeden rozpoczyna
wszystkie łańcuchy białkowe od
metioniny, drugi zaś służy do
wprowadzania metioniny w odpowiedzi
na kodony AUG pojawiające się wewnątrz
ramki, podczas gdy mRNA ulega
translacji.

Ten specjalny, inicjatorowy tRNA, niosąc
cząsteczkę metioniny, przyłącza się razem z
rybosomem do kodonu AUG w miejscu startu
translacji. Następny aminokwas łańcucha
polipeptydowego jest dostarczany do
miejsca translacyjnego rybosomu przez
tRNA, którego antykodon pasuje do drugiego
kodonu mRNA. Pierwsze wiązanie peptydowe
powstaje zatem między metioniną a
następnym w kolejności aminokwasem:
rozpoczyna się synteza łańcucha
polipeptydowego. Podczas tłumaczenia
każdego kodonu do wydłużającego się
łańcucha polipeptydowego dodawany jest
jeden aminokwas. Proces ten powtarza się
aż do momentu, gdy wszystkie kodony
sekwencji kodującej ulegają translacji.
Gotowy łańcuch polipeptydowy uwalniany
jest z chwilą, gdy aparat translacyjny dotrze
do sygnału końca translacji, czyli do jednego
z trzech kodonów stop (UAA, UAG lub UGA).

Są dwie ważne reguły dotyczące kierunku
translacji: po pierwsze translacja postępuje
od 5' do 3' końca mRNA, po drugie białko
rośnie od końca aminowego do
karboksylowego. Warto pamiętać, że
kierunek ważny jest również przy czytaniu
zdań. W różnych językach tekst pisze się w
różnych kierunkach. Genetycy przyjęli
konwencję zgodną z językami europejskimi.
Początek „zdania” – 5' koniec mRNA i
aminowy koniec polipeptydu – zapisuje się z
lewej strony. Zakończenie – 3' koniec mRNA i
karboksylowy koniec polipeptydu – są wtedy
z prawej strony. Zatem zgodnie z taką
konwencją, mRNA jest czytany od lewej ku
prawej.